KR101173764B1 - 무전위 실리콘 단결정의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시드(seed) 결정을 실리콘(silicon) 융액을 포함한 도가니에 담근 후 인상하여 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서, 구체적으로 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³ 의 저농도 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하며, 실리콘 단결정 인상시 넥킹(necking) 공정을 행하지 않고, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 무전위 상태로 분리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법 및 이에 의해 제조된 무전위 실리콘 단결정에 관한 것이다.
이를 통해, 실리콘 융액과 시드 결정 사이의 용융 계면(melt interface)에서 통상 발생하는 열적 충격 및 격자 미스피트(lattice misfit)로 인한 전위 뿐 아니라, 부적절한 시드 위치로 인해 발생하는 전위를 억제할 수 있게 됨으로써, 넥킹 공정 없이 대용량 및 대구경을 가지는 무전위 실리콘 단결정을 성공적으로 성장시킬 수 있다.

Description

무전위 실리콘 단결정의 제조 방법{A Method for Eliminating a Dislocation in Growing Single Si Crystal}

본 발명은 초크랄스키(Czochralski)법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 대시(dash)법에 의한 넥킹(necking) 공정을 행하지 않고 무전위 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정은 통상 초크랄스키(Czochralski;CZ)법과 같은 결정 성장법에 의해 원통형의 실리콘 잉곳으로 형성된다. 실리콘 단결정 Crystal을 성장시키는 방법으로 전통적으로 사용되어온 쵸크랄스키(Czochralsk, CZ) 방식은 실리콘을 붕소(B)나 인(P)를 첨가하여 1460℃ 이상의 고온으로 녹여 액체 상태로 만든 다음, 그 용용된 실리콘에 종자(Seed)를 접촉시킨 상태에서 서서히 상승시키면서 원하는 지름의 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다.

시드(seed) 결정을 융액에 담그는 때, 융액과의 접촉에 의하여 생기는 열쇼크 (Thermal Shock, 열응력)에 따라서 시드 결정 내에 전위(dislocation)가 생긴다. 약 50년간 무전위 초크랄스키 실리콘 단결정을 성장시키기 위해 대시법에 의한 얇은 넥 이론(thin neck theory)이 적용되어 왔다. 전위는 직경 3~5mm의 얇은 넥 부위에서 제거되며, 얇은 넥을 자동적으로 생성시키기 위해 많은 노력을 행하여 왔다. 고체인 Seed를 고온의 액체인 Silicon melt에 dipping시에 발생하는 dislocation을 제거하기 위해 necking길이를 최소 300~400mm 길이로 성장시키고, 이 때 Pull speed는 평균 2.0 ~ 3.0 mm/min으로 성장시켰다. 소요되는 평균 시간은 대략 100 ~ 200 min 정도의 시간이 소요되게 된다.

그러나, 넥의 직경을 조절하는 것은 매우 어려운 일이라 넥의 직경 조절에 카메라 시스템이 도입되기도 하였음에도 불구하고, 성장하는 결정에서의 전위를 제거하지는 못하는 경우가 발생하고 그로 인해 불필요한 시간이 소요되게 된다. 또한, 얇은 넥은 훨씬 무거운 실리콘 결정을 지지할 만큼의 충분한 힘이 없다는 문제점이 있다. 단결정 성장 장치가 점점 오래되면서, 잉곳의 제거를 위한 인상 챔버의 회전 모터가 손상을 입을 수도 있다. 결과적으로, 넥이 부러지면서 잉곳이 떨어지는 경우가 발생하기도 한다. 성장하는 결정에서 전위를 제거하기 위해 일반적으로 300~400mm로 넥의 길이를 조절하였는데, 부분적으로 넥의 Diameter가 40mm이하가 될 경우 넥이 파손되어 Ingot이 성장후 직경이 작은 부위에 충격이 가해질 경우 쉽게 떨어지는 경우가 발생하고 이는 매우 위험할 수 있다.

이에 따라, 넥킹 공정에 의해 넥을 형성하지 않고 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이 Dislocation-free B-doped Si crystal growth without Dash necking in Czochralski method (2000): Influence of B Concentration 및 Dislocation-free Czochralski Si crystal growth without a thin neck (2003)을 통해 일본에서 논의되어 왔다.

위 기술들은 넥킹 공정에 의해 넥을 형성하지 않고 실리콘 단결정을 성장시키기 위해 모두 고농도의 B으로 도핑된 시드를 사용한다. 예를 들어, 8x10¹⁸ atoms/cm³ 또는 4x10¹⁹ atoms/cm³를 초과하는 B를 사용하는 경우 전위가 일어나지 않음을 개시하고 있다. 그러나, 시드에 도핑된 B의 농도가 너무 높아서 소비자의 구체적 요구를 만족시킬만한 저항 타겟팅(Resistivity Targeting)이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 목적은 넥킹 공정없이 대용량 및 대구경을 가지는 실리콘 단결정을 성장시켜, 넥의 파괴로 인한 단결정의 낙하 문제를 해결하여 안전하면서도 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명은 시드(seed) 결정을 실리콘(silicon) 융액을 포함한 도가니에 담근 후 인상하여 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서, 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³ 의 저농도 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하며, 실리콘 단결정 인상시 넥킹(necking) 공정을 행하지 않고, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 무전위 상태로 분리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 무전위 단결정 실리콘에 관한 것이다.

본 발명을 통해, 실리콘 융액과 시드 결정 사이의 용융 계면(melt interface)에서 통상 발생하는 열적 충격 및 격자 미스피트(lattice misfit)로 인한 전위 뿐 아니라, 부적절한 시드 위치로 인해 발생하는 전위를 억제할 수 있게 됨으로써, 넥킹 공정 없이 대용량 및 대구경을 가지는 무전위 실리콘 단결정을 성공적으로 성장시킬 수 있고, 불필요한 시간을 감소시키는 효과가 있으며, 보다 안전한 Single Si Crystal을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘 단결정에 형성된 넥의 길이를 측정하는 사진이다.

본 발명은 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³ 의 저농도 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하며, 넥킹(necking) 공정을 행하지 않고, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 무전위 상태로 분리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법이다.

종래 8x10¹⁸ atoms/cm³ 또는 4x10¹⁹ atoms/cm³를 초과하는 고농도의 B이 도핑된 시드 결정을 사용하는 경우, 시드 결정의 고농도 B이 실리콘 용융액에 영향을 주어 실리콘 용융액이 일정한 저항을 가지도록 하는 저항 타겟팅이 어렵다는 문제점이 있어서, 소비자가 원하는 구체적인 사양을 충족시킬 수 없었다.

그러나, 본 출원의 발명자들은 종래의 기술과 달리 저농도인 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³의 B을 사용함으로써, 저항 타겟팅(Resistivity Targeting)이 용이하다. 하나의 실시예에서, B을 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³, 구체적으로 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 저농도로 도핑하여 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

하나의 실시예에서, 도가니를 5 내지 20 rpm의 속도로 회전시켜 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 위 범위에 속하는 속도로 도가니를 회전시키는 경우 속도가 증가할수록 무전위율(%)이 높아질 수 있으며, 무전위율이 높은 실리콘 단결정을 제조할 수 있도록 구체적으로 5 내지 20 rpm, 더욱 구체적으로 10 내지 15 rpm의 속도로 회전시켜 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 도가니의 회전 속도가 너무 낮으면 Silicon melt의 온도를 일정하게 유지하는데 너무 시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 너무 높으면 실리콘 융액의 온도 변화가 너무 자주 바뀌어 시드를 디핑(dipping)할 수 없는 문제가 있다.

하나의 실시예에서, 시드 결정을 실리콘 융액에 5 내지 60분 동안 침지 후 인상시켜 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 위 범위에 속하는 침지 대기 시간(dipping waiting time) 동안 침지시키는 경우, 침지 대기 시간이 늘어날수록 무전위율(%)이 감소될 수 있는 것으로 알려졌으나 본 실험에서는 그 시간을 길게 하지 않고 최단시간에 진행함으로써 추가로 발생하는 온도변화에 의한 Dislocation을 감소시킬 수 있었다. 무전위율이 우수한 실리콘 단결정을 제조할 수 있도록 구체적으로 1 내지 60분, 더욱 구체적으로 5 내지 15분 동안 시드 결정을 실리콘 융액에 침지하여 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 침지 대기 시간이 너무 짧으면 시드에 전달된 무전위가 없어지지 않은 상태에서 Si 결정이 성장되게 되고, 너무 길면 Si 융액에서 발생된 온도변화에 의한 무전위가 발생한다는 점에 문제가 있다.

하나의 실시예에서, 실리콘 단결정을 1 내지 10mm/min의 속도로 인상시켜 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 위 범위에 속하는 인상 속도로 실리콘 단결정을 인상시키는 경우 인상 속도가 증가할수록 무전위율(%)이 높아질 수 있으며, 무전위율이 우수한 실리콘 단결정을 제조할 수 있도록 구체적으로 2 내지 7 mm/min, 더욱 구체적으로 3 내지 7의 속도로 인상시켜 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 인상 속도가 너무 느리면 시드를 Si 융액에 담글 때 다시 녹아버리는 현상이 발생하고, 너무 빠르면 직경이 작아지면서 시드가 Si 융액에서 떨어져버리는 현상이 발생하는 문제가 있다.

본 발명에서는 상기 여러 가지 제조 조건 중 어느 하나의 조건을 충족시키는 경우 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³의 저농도 B으로 도핑된 시드 결정을 통해 대시 넥(dash neck) 공정을 행하는 일 없이 무전위의 실리콘 단결정을 육성할 수 있으며, 위 조건 중 둘 이상, 셋 이상 또는 모두 만족하는 경우 목적하는 무전위의 실리콘 단결정을 육성할 수 있다.

경우에 따라서, 상기 실리콘 융액은 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³, 구체적으로 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 B으로 도핑될 수 있으며, 본 발명에서는 저농도의 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하기 때문에 실리콘 융액의 B 도핑 농도를 추가로 B을 투입하여 일정하게 유지할 수 있다. 이를 통해 실리콘 융액의 저항은 0.5 내지 6 Ohm-cm, 구체적으로 0.5 내지 3 Ohm-cm 또는 3 내지 6 Ohm-cm으로 유지할 수 있으며, 저항 타겟팅을 용이하게 함으로써 소비자가 원하는 다양하고 구체적인 저항 사양을 유지하여 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

종래 고농도의 B로 도핑된 실리콘 단결정은 Diameter 5~7mm 원통형 시드 결정을 사용하였으나, 실리콘 단결정 성장시 발생하는 넥의 파손 문제를 해결하고, 대중량 예를 들어 150kg을 초과하는 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 직경이 큰 시드가 필요한데, 이를 고려하여 크기/단면적이 10 x 10mm² 내지 20 x 20mm²인 시드 결정을 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

20x20mm²의 크기를 가지고, 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 B이 도핑된 시드를 제조하였다. 시드 결정을 직경이 24인치인 실리카 도가니 중 Si 용융액에 침지시켰다. 탄소 히터는 24인치 도가니에 기초하여 디자인하였다.

Crystal 성장 과정은 Dipping Waiting Time: 10 내지 60 (min), Pulling Rate: 2 내지 5 mm/min, Crucible Rotation: 10 내지 15 rpm 및 Seed Rotation: 5 내지 10 rpm 범위의 다양한 초기 파라미터 하에서 이루어졌다.

Dipping waiting time은 고체 상태의 다결정 실리콘을 용융한 후 성장하기 좋은 상태의 온도 조건을 만든 후 시드를 융액에 담근 후 대기하는 시간을 의미하고, Pulling rate는 시드를 메니스커스를 만들고 나서 끌어올리는 속도를 의미한다. 이 때 시드를 회전시키는 속도와 도가니를 회전시키는 속도는 일정한 온도 조건을 유지하기 위해 중요한 파라미터로, 이 회전속도에 따라 실리콘 융액 상태의 온도 조건이 달라지게 된다.

시드의 B 농도를 4.5 x 10¹⁵로 한 후 실리콘 용액의 농도를 저농도에서 고농도를 변경하면서 저항이 잘 타겟팅(Targeting) 되는지를 확인하고, 결정 성장시 결함이 전위가 되는지를 확인하였으며, 그 결과를 아래 [표 1]에 나타내었다. 위 성장 조건을 이용하여 저농도 B 이 도핑된 시드를 사용하면서도 저항 타겟팅에 영향을 주지 않았으며, 성장 결정 전위에도 영향이 없는 상태에서 실리콘 결정을 성장시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

[표 1]

표 1을 참조하면, 위 조건하에서 실리콘 단결정을 성장시키는 경우 성장 결정 전위가 없는 무전위 실리콘 단결정을 생산할 수 있음을 확인하였으며, 특히 저농도인 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 B을 사용함으로써, Si 융액의 저항을 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써 저항 타겟팅이 용이함을 알 수 있다.

표 1 이외에도, 본 출원 명세서 중에 기재된 각 파라미터 및 이의 범위에서 목적하는 무전위율을 나타내는 파라미터를 조합하여 무전위의 실리콘 단결정을 제조할 수 있으며, 위 표 1의 조합에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 16에 따른 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 저농도 B을 포함한 시드 결정을 통해 주 단결정체(main body)가 1850mm이고, 결정 무게는 156kg이며, 직경이 8인치인 실리콘 단결정을 제공할 수 있음을 확인하였다.

이 때, 도 1에서와 같이 결정을 시드로부터 용이하게 분리하기 위한 넥은 약 50mm로 성장하였음을 확인할 수 있으며, 20x20mm²의 시드로부터 결정을 분리하기 위한 넥의 길이는 약 50mm 정도 또는 그 이하임을 확인하였다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

1. 시드(seed) 결정을 실리콘(silicon) 융액을 포함한 도가니에 담근 후 인상하여 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서,
   1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³ 의 저농도 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하며,
   실리콘 단결정 인상시 넥킹(necking) 공정을 행하지 않고, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 무전위 상태로 분리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 4.5 x 10¹⁵ ~ 1.5 x 10¹⁶ atoms/cm³의 B으로 도핑된 시드 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 도가니를 5 내지 20 rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 시드 결정을 실리콘 융액에 5 내지 60분 동안 침지 후 인상시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 실리콘 단결정을 1 내지 10mm/min의 속도로 인상시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 시드 결정을 1 내지 20mm/min의 속도로 인상시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 1.0 x 10¹⁴ ~ 1.0 x 10¹⁷ atoms/cm³ 의 B으로 도핑된 실리콘 융액을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 방법은 실리콘 융액의 저항을 0.5 내지 6 Ohm-cm로 조절하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 크기가 5 x 5mm² 내지 20 x 20mm²인 시드 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 길이가 50mm 이하인 넥을 가지는 실리콘 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 무전위 실리콘 단결정.

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